高速無源電路的精確表征

1、高速無源鏈路的精確表征2017/05/18目錄Page高速數(shù)字器件測量的高速無源鏈路的信號完整性非同軸端口的校準方法更高的測量帶寬的需求信號上升時間更快遇到過孔的反射幅度更大需要頻域的S參數(shù)測量需要用微波傳輸線理論進行分析Page背板是非常重要的一環(huán)多采用差分傳輸線高速數(shù)字鏈路多采用差分傳輸線低電壓，抗EMI和噪聲能力強，有一個虛擬的地Page高速數(shù)字規(guī)范中的物理層測試要求時域測試連接器阻抗、電纜阻抗ra-pair skew頻域測試air skew既要時域TDR測試，也需要頻域S參數(shù)測試損耗回波損耗NEXTFEXT眼圖測試Page示例：1.4 Category 1Page物理層測試系統(tǒng)（PLT

2、S）方便的校準和測量向導強大的數(shù)據(jù)顯示和分析功能多端口器件的校準、測量和數(shù)據(jù)分析高級校準功能，包含自動夾具移除（AFR）、TRL校準件設計和驗證向導、Differential Crosstalk 校準和測量向導信號完整性領域的行業(yè)標準PagePLTS選件和主要功能所有選件選件包含功能1XP 基本分析功能，提供主界面和4端口數(shù)據(jù)分析頻域、時域、眼圖顯示（單端、差分）Marker游標功能四端口數(shù)據(jù)處理（Gating、去嵌入、端口延伸、端口阻抗變換） Limit Line / Eye mask測試公式編輯器（可導入）文件導入導出數(shù)據(jù)模板功能1XP, 3XP,5XP, 7XP測試(html、word、

3、pdf)3XP 校準測量功能校準測量向導探針校準功能顯示校準原數(shù)據(jù)、誤差項Refresh Cal （快速重校準）X = F，綁定電腦的MAC地址 X = N, 使用license serverX = T, 綁定USB狗5XP 高級校準功能TRL校準件設計驗證向導自動夾具移除（AFR）差分TRL校準向導7XP 多端口功能多端口數(shù)據(jù)顯示分析構建多端口數(shù)據(jù)多端口去嵌入用4端口VNA測量多端口DUT以是為本 以德致遠 專注測量75載Page多端口測試方案的種類端口擴展座特點端口擴展座框圖每個端口都有定向耦合器只有源和在切換全N x N 端口校準更好的穩(wěn)定性和性能動態(tài)范圍仍然會受到開關影響e.g. PN

4、A+U304x/U302x矢量網(wǎng)絡分析儀多端口測試技術以是為本 以德致遠 專注測量75載Page 10Keysight M937xA PXIe VNA小巧靈活單槽的2端口VNA特點在一個PXI插槽內的完整2端口網(wǎng)絡分析儀300 kHz 至 26.5 GHz與PNA/ENA同樣可靠的測試技術單機箱可用16個VNA模塊實現(xiàn)32端口的全端口測量32端口配置矢量網(wǎng)絡分析儀多端口測試技術Page 11多端口測試方案的種類真正的多端口方案（PXI VNA）特點信號同步激勵，多量分析網(wǎng)絡分析儀內的多真正多端口方案測試框圖同步測可實現(xiàn)SynchronizedSynchronizedSourceSourourc

5、e同時并量不會像開關方案那樣降低系統(tǒng)動態(tài)范圍性能R1AR2BR1R2R1AR2BABPort 2Port 1Port 3Port 4Port 5Port 6Module #3Module #1Module #2矢量網(wǎng)絡分析儀多端口測試技術Page 12目錄Page高速數(shù)字器件測量的高速無源鏈路的信號完整性非同軸端口的校準方法S參數(shù)的定義以及其它網(wǎng)絡參數(shù)DUTIncidentTransmittedRBS 2 1響應S11Reflected激勵Ratioed ReflectionRatioed TransmisGroupDelayReturn LossImpedance, Admittance R

6、+jX, G+jBSWRS-Parameters S11, S22Gain/LossInsertion PhaseS-ParametersReflection Coefficient, rS, STransmis2112CoefficientPageTransmitted =BIncidentR Reflected = A IncidentRA信號完整性可以用S參數(shù)來描述R1=R2=Z0阻抗匹配ViViZ0Z0R1R2S11低反射S21高傳輸R1,R2Z0ViVt阻抗失配Z0Z0R1R2S11高反射S21低傳輸VrPage信號完整性差信號完整性好背板特性的表征 S參數(shù)行業(yè)測試規(guī)范的要求PCI-

7、ExpressDifferentialReturn LossDifferential Insertion LossCrosstalkSDD21Serial-ATA II是德 技國公以是為本 以德致遠 專注測量75載Page單端S參數(shù)和TDR/TDTPort 1Port 3Port 2Port 4Four-port single-ended deviceReturn Loss or TDR Insertion Loss or TDTNear End Crosstalk (NEXTFar End Crosstalk (FEXT頻域參數(shù)時域參數(shù)FFT or IFFTPage單端和混合模S參數(shù)Sing

8、le-endedBalancedBalancedBalancedPort 1Port 3Port 2Port 4port 1port 2SDD11 SDD21SDD12 SDD22SDC11 SDC21SDC12SDC22S11 S21 S31S41S12 S22 S32S42S13 S23 S33S43S14 S24 S34S44Port 2SSSSCD11CD12CC11CC12SSSSCD22CC22CD21CC21Naming Convention:Smode res., mode stim., port res., port stim.Page ResponseCommon- Mod

9、e ResponseDifferential- Mode ResponsePort 1Port 2Port 1StimulusCommon-ModeStimulusPort 1Port 2Differential-Mode StimulusPort 1Port 2傳輸線特性阻抗:ZoZo 決定信號電壓與電流的關系Zo 與傳輸線物理尺寸及 r1.5有關阻抗為77 ohms時，損耗最小1.4Zo 為常數(shù) e.g. 50 or 75 )系統(tǒng)1.31.250 ohm standard1.11.00.90.8阻抗為 30 ohms時，功率容量最大10203040506070 80 90

10、 100傳輸線特性阻抗 ()Pagenormalized values頻域響應和時域響應VNAFrequency responseSine wave spff00IFFTImpulse inputFFTIFFTImpulse responseFFTtt00egrationegrationDerivationDerivationTDR oscilloscopeStnputStep responset0t0PageDUTDUTDUT不同的阻抗產(chǎn)生不同的時域響應Page時域低通模式模擬傳統(tǒng)TDR終止頻率=起始頻率* 測試點數(shù)提供沖擊和階躍兩種相應正頻率點的響應+推算直流響應+復頻率點的響應正頻率點的

11、共軛距離分辨率是帶通模式的兩倍Page目錄Page高速數(shù)字器件測量的高速無源鏈路的信號完整性非同軸端口的校準方法物理層測量中的夾具問題IC封裝背板USB 連接器物理層器件通常有非同軸的接頭，需要測試夾具才能連接到測試儀器上測試夾具的電氣特性不透明，有插損和失配，需要提取夾具特性并從DUT測量中去除自動端口延伸（ AutoPortExten概述）適用場合：夾具的相位響應線性，幅頻響應基本平坦，例如PCB上的微帶線只能補償夾具的時延，插損，無法消除失配誤差精度不高，但操作簡單，只需要用到短路，開路標準件典型應用：差分器件測量，PCB上表貼器件測量工作原理步驟1：先在測試電纜的末端進行2端口校準，建

12、立校準參考面步驟2：在夾具的另一端連接短路，開路標準件，測量對應端口的反射系數(shù)，校準參考面利用曲線擬合算法得到夾具的插損，時延端口延伸g自動端口延伸（ AutoPortExten）測量實例 （只用開路件進行）“無” 時 測出的是連接頭處的Sii“啟用”，測出的是微帶線處的Sii1423BalancedBalancedBalancedDUTOpensUnbalancedShortsUnbalancedUnbalancedPage無無無TRL校準（ Thru-Reflect-Line）概述Thru-Reflect-Line (TRL)校準 雙端口校準技術，適合于非同軸環(huán)境測量(夾具，波導，片上晶圓

13、等)對非同軸環(huán)境測量具有最高的精度有不同的形式LRL,TRM, LRM等需要根據(jù)被測件設計TRL校準件ePagTRL校準件TRL校準的多種形式必須有7個已知條件建立7個方程來獲得7項系統(tǒng)誤差必須知道特性阻抗，同時必須有端口之間的連接PageTRL & LRL已知Thru或者Line的S參數(shù)4個條件反射標準件在端口1和端口2的反射系數(shù)相等1個條件已知Line的S11和S22 2個條件TRM&LRM已知Thru或者Line的S參數(shù)4個條件反射標準件在端口1和端口2的反射系數(shù)相等1個條件已知Match的S11和S22 2個條件TXYZ&LXYZ已知Thru或者Line的S參數(shù)4個條件已知反射件(XY

14、Z)在端口1或端口2的反射系數(shù)3個條件TXYX&LXYX已知Thru或者Line的S參數(shù)4個條件已知反射件(XY)在端口1的反射系數(shù)2個條件已知反射件(X)在端口2的反射系數(shù)1個條件LRRM已知Line的S參數(shù)4個條件反射標準件(RR)在端口1和端口2的反射系數(shù)相等1個條件已知Match在端口2的反射系數(shù)1個條件TRL 標準件的要求Thru直通標準件: S11,S12,S21,S22電氣長度為0時，S21=0dB，匹配盡量好電氣長度非0時，具體值必須知道，阻抗Line的阻抗；用作參考測量面時，位于直通的中間Reflect反射標準件: S11S22Snn反射系數(shù)的相位最好在正負90度以內，幅值接

15、近于1所有端口上的反射系數(shù)必須相同;用作參考測量面時，相位響應必須知道Line延遲線標準件: S11,S22延遲線的特性阻抗作為測量時候的參考阻抗，系統(tǒng)阻抗定義與延遲線系統(tǒng)阻抗一致延遲線和直通之間的相位差在20度至160度之間(或者-20度至-160度)，最優(yōu)值一般取1/4波長當Fstop:Fstart8時，需使用1條以上的延長線，以便覆蓋整個頻率范圍當頻率太高時，1/4波長的延遲線物理尺寸較短，不易制作；此時最好選擇非0長度的直通，利用延遲線和非0直通的差值，來增大延遲線的物理尺寸TRL標準件設計時候的考慮：如果是基于PCB設計TRL校準件，那么PCB上連接頭的一致性要好，同時插損要低反射標

16、準件最好采用開路標準件，盡管存在邊緣電容效應，但實現(xiàn)起來比短路件容易延遲線的相位跟相速，頻率，有效介電常數(shù)有關設計時，最好多條延遲線頻率范圍有，以保證能夠覆蓋整個頻率范圍Page決定了延遲線的特性阻抗TRL 標準件的設計TRL校準件,頻率范圍:10MHz-20GHz，采用Rogers4350板材(Er=3.480.05)參考長度2cm,即夾具的長度長度即開路件物理長度負載標準件物理長度有效介電常數(shù)Line2的物理長度58.3mm，頻率范圍設的是從800M-4GHzLine1的物理長度131.4mm，頻率范圍設的是從160-800MLine3的物理長度43.7mm，頻率范圍設的是從4GHz-20GHzPage參考也是端口阻抗變換S X 1 S I S 1 X where x1 00 x200000 0 Z 1Z Zn X , xnn Zn 00 改變S參數(shù)測試的參考阻抗如用50 Ohm網(wǎng)絡儀測量75 Ohm被測件，通過端口阻抗變換得到以75 Ohm為參考阻抗的S參數(shù)n 00 xn 1 000 0 Z Z , 2nn 0 nZ Znnn 00Page解決夾具問題的傳統(tǒng)方法：TRL校準：制作復雜、需要經(jīng)驗、難以保證校準件的質量（接頭一致性、PCB阻抗波動）Page新的方法：Automatic Fixture Removal基于簡單的校準標準件（如直通或開路、短路件），使